Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЫ С КАБЕЛЬ-КАНАЛОМ И СПЛОШНЫМ БЕТОННЫМ ПОКРЫТИЕМ И ТРУБА С КАБЕЛЬ-КАНАЛОМ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к трубопроводной технике, к трубам с бетонным покрытием, используемым при прокладке трубопроводов на морских шельфах, водных переходах, в обводненной или заболоченной местности, а также при подземной или надземной прокладке трубопроводов в сезонно-мерзлых и слабонесущих грунтах.

Известен способ развертывания одного или нескольких кабель-каналов под волоконно-оптические волноводы в трубопроводе с защитным покрытием (см. патент GB 2443832). В данном изобретении кабель-каналы размещают в защитном покрытии (слое) проводящей трубы при формировании покрытия (заливка или нагнетание с последующей сушкой или полимеризацией). Или путем сверления защитного покрытия (слоя) с последующим внедрением в отверстие кабель-канала.

Данный способ не рассматривает вопрос компенсации внутренних напряжений в трубопроводе, возникающих в трубопроводах при эксплуатации, монтаже, а также от воздействия природных и техногенных факторов.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ производства обетонированной трубы с кабель-каналом (см. патент RU 2616681, опубл. 18.04.2017 г.). В данном способе стальную трубу с антикоррозионным покрытием устанавливают на сборочном стенде, монтируют на ее поверхности арматурный каркас, фиксируют каркас на трубе, вдоль арматурного каркаса размещают и фиксируют кабель-канал. На конструкцию надевают защитную оболочку, которую центрируют относительно стальной трубы, устанавливают заливочные торцевые заглушки и в образовавшееся пространство закачивают бетонную смесь.

К недостатку данного способа производства обетонированной трубы с кабель-каналом следует отнести, то, что в нем не рассматривается вопрос компенсации внутренних напряжений в трубопроводе с помощью искусственно созданных концентраторов напряжения, возникающих в трубопроводах при эксплуатации, монтаже, а также от воздействия природных и техногенных факторов.

Техническим результатом предложенного технического решения является увеличение срока службы обетонированных трубопроводов за счет компенсации внутренних напряжений возникающих в трубопроводах при эксплуатации, монтаже, а также от воздействия природных и техногенных факторов.

При прокладке обетонированного трубопровода по дну водоема или в заболоченной местности в проводящей трубе и бетоном покрытии возникают значительные внутренние напряжения, обусловленные упругим изгибом. При этом может, происходить частичное неконтролируемое отслоение (скол) бетонного покрытия. Это отслоение (скол) падая или получив момент силы имеющий реактивный характер (отстрел), представляет определенную опасность для людей производящих монтажные работы. Кроме того, отслоение бетонного покрытия в месте прохождения кабель-канала может привести к его смятию или деформации. Избежать этого, позволяет применение искусственно созданных концентраторов напряжений в виде кольцевых канавок, нанесенных на наружную поверхность бетонного покрытия. Здесь, в случае возникновения в бетонном покрытии внутренних напряжений, они гасятся за счет контролируемого образования трещин по искусственно созданным концентраторам напряжений.

Внутренние напряжение в бетонном покрытии возникает в случаях изгиба обетонированного трубопровода (в том числе сдвига поверхностного слоя земли под трубопроводом в сезонно-мерзлых, слабонесущих, и подверженных техногенным факторам грунтах).

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления трубы с кабель-каналом и сплошным бетонным покрытием, включающим установку и закрепление на трубе по меньшей мере одного кабель-канала, нанесение бетонного покрытия на трубу, при котором бетонное покрытие наносится до полного укрытия кабель-каналов в его толщине, а на поверхность бетонного покрытия наносят искусственно созданные концентраторы напряжения в виде кольцевых канавок с шагом, достаточным для компенсации возникающих в бетоне внутренних напряжений.

Кроме того, предлагаются конкретные операции реализации способа, заключающиеся в следующем:

- бетонное покрытие наносят, выше кабель-каналов на величину требуемой эксплуатационной безопасности.

- бетонное покрытие наносят методом торкретирования.

- бетонное покрытие наносят методом намотки.

- бетонное покрытие наносят методом закачки под давлением.

- на трубе, закрепляют арматурный каркас, а под ним размещают кабель-каналы или кабель-каналы размещают на арматурном каркасе.

- бетонное покрытие наносят до полного укрытия арматурного каркаса в его толщине.

Известен способ повышения стойкости листовых элементов конструкции к лавинному распространению трещин (см. патент RU 1281808, публ. 07.01.1987 г.). В данном изобретении на проводящую трубу трубопровода обкаткой роликом наносятся канавки. Канавки - это концентраторы напряжения, которые гасят лавинообразное распространение трещин. Так зародившаяся в проводящей трубе трещина, дойдя до канавки, отклоняется и закольцовывается.

В данном способе не рассматривается использование концентраторов напряжения в обетонированных трубопроводах, однако здесь видно положительное влияние искусственно нанесенных концентраторов напряжения.

Известен способ и устройство для предохранения опасных участков магистральных трубопроводов от перенапряжения (см. патент RU 2143631, публ. 27.12.1999 г.), в котором осуществляют врезку в опасный участок трубопровода предохранительной катушки, выполненной из трубы диаметром, равным диаметру основного трубопровода со сварным контрольным стыком посредине. При этом толщина предохранительной катушки меньше толщины основного трубопровода в пределах от 30 до 60% толщины основного трубопровода.

Предохранительная система включает две задвижки с системой автоматического аварийного закрытия, предохранительную катушку со сварным стыком, датчики контроля напряжений на последнем, датчики передачи сигнала разрушения контрольного шва на систему автоматического аварийного закрытия.

К недостаткам данного способа следует отнести то, что разрыв может произойти в любом месте предохранительной катушки, датчик контроля должен быть высокочувствительным или должно быть установлено несколько датчиков.

Кроме того, данный способ не применим в условиях монтажа обетонированных трубопроводов, и рассматривает вариант его реализации только под эксплуатационной нагрузкой.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является способ предохранения опасных участков магистральных трубопроводов от перенапряжения и устройство для его осуществления (см. патент RU 2247891 публ. 10.03.2005 г), содержащее проводящий трубопровод, компенсатор, предохранительную систему, состоящую из двух задвижек автоматического аварийного закрытия, датчики и предохранительную катушку, снабженную искусственно созданным концентратором напряжений в виде кольцевой проточки, при этом глубина проточки определяется прочностью трубы при рабочем давлении.

В данном патенте при резком увеличении напряжений на основном нефтепроводе происходит разрыв кольцевой проточки на предохранительной катушке, что регистрируется датчиками. В результате срабатывают системы автоматического аварийного закрытия и задвижки перекрывают трубопровод.

К недостаткам данного технического решения следует отнести то, что оно предполагает предохранение опасных участков магистральных трубопроводов от напряжений в период функционирования (эксплуатации) и не рассматривает вариант предохранения обетонированных трубопроводов при их монтаже в полевых условиях.

Кроме того, в данном техническом решении не рассматривается вопрос позиционирования кабель-каналов относительно продольного сварного шва прямошовной электросварной трубы.

При использовании прямошовных электросварных труб в нефте- или газопроводах в качестве проводящей трубы в месте стыка двух труб должно быть выдержано нормативное расстояние между продольными сварными швами. В варианте трубопроводов с предустановленными (залитыми в бетон) кабель-каналами, как правило, последние не позиционируются относительно продольного сварного шва прямошовных электросварных труб. Поэтому монтаж таких труб приводит к значительным потерям (излишней длине в месте стыка трубопроводов) кабелей для систем связи и мониторинга, прокладываемых в кабель-каналах, так как угловое смещение кабель-канала относительно продольных швов проводящих труб может быть значительным.

Технический результат достигается тем, что труба с кабель-каналом с бетонным покрытием включает трубу с установленными на ней, по меньшей мере одним кабель-каналом и бетонное покрытие с нанесенными концентраторами напряжений в виде кольцевых канавок. Согласно изобретению кольцевые канавки выполнены на наружной поверхности бетонного покрытия трубы с шагом достаточным для компенсации возникающих внутренних напряжений.

Также технический результат достигается тем, что труба с кабель-каналом с бетонным покрытием включает трубу с установленным на ней кабель-каналом и бетонное покрытие с нанесенными концентраторами напряжений в виде кольцевых канавок. Согласно изобретению труба выполнена прямошовной, и снабжена по меньшей мере еще одним кабель-каналом. Кабель-каналы устанавливают с двух сторон относительно шва трубы. При этом число кабель-каналов с одной стороны шва не меньше числа кабель-каналов со второй стороны шва, канавки выполнены на наружной поверхности бетонного покрытия трубы с шагом достаточным для компенсации возникающих внутренних напряжений.

Предпочтительно чтобы бетонное покрытие было выполнено из бетонной смеси с наномодифицированными добавками.

Предпочтительно чтобы труба была снабжена арматурным каркасом.

Предпочтительно чтобы кабель-каналы были установлены под арматурным каркасом или непосредственно на арматурный каркас.

В дальнейшем изобретение поясняется примерами конкретного выполнения и прилагаемыми чертежами, на которых:

На фиг. 1 - показан разрез трубы с бетонным покрытием и кабель каналами.

На фиг. 2 - показано место I на фиг. 1.

На фиг. 3 - показаны спирально нанесенные канавки на бетонное покрытие.

На фиг. 4 - показано нанесение бетонного покрытия, например, методом торкретирования, до момента полного укрытия кабель-каналов в его толщине.

На фиг. 5 - показано нанесение бетонного покрытия, например, методом торкретирования, выше кабель-каналов на величину требуемой эксплуатационной безопасности.

На фиг. 6 - показано нанесение бетонного покрытия, например, методом торкретирования, до момента полного укрытия арматурного каркаса в его толщине.

На фиг. 7 - показано нанесение бетонного покрытия, например, методом торкретирования, выше арматурного каркаса на величину требуемой эксплуатационной безопасности.

На фиг. 8 - показано позиционирование кабель-каналов относительно продольного сварного шва проводящей трубы/

На фиг. 9 - показана привязка (расположение) стыкуемых проводящих труб относительно их продольных швов.

На фиг. 10 - показан изгиб обетонированного трубопровода в момент монтажа.

На фиг. 11 - показана трещина в канавке защитного покрытия трубы, образованная от внутреннего напряжения при изгибе.

На фиг. 12 - показано формирование канавки при методе нагнетания под давлением.

Заявленное устройство состоит из трубы 1 с антикоррозионным 2 и бетонным 3 покрытием. На трубе 1 закреплен арматурный каркас 4 с размещенными под ним кабель-каналами 5.

Заявленный способ может быть осуществлен следующим образом, бетонное 3 покрытие наносят на закрепленные на трубе 1 кабель-каналы 5, например, методом торкретирования или методом закачки под давлением.

В методе закачки под давлением может быть использована как съемная, так и несъемная опалубка, под которую в образованное пространство между ней, трубой и торцевыми заглушками под давлением закачивается бетонная смесь.

На поверхность бетонного 3 покрытия наносят искусственно созданные концентраторы напряжения в виде кольцевых канавок 6. Нанесение кольцевых канавок 6 осуществляется, например, накаткой роликом (не показано) или путем формирования канавок опалубкой (съемной или несъемной). Шаг накатки - К, выбирается из условия, чтобы он был достаточным для компенсации возникающих внутренних напряжений в бетонном 3 покрытии. Канавки 6 могут быть нанесены на бетонное 3 покрытие спирально.

Экспериментальным путем было установлено, что для трубопровода ∅159-550 мм шаг К составляет 500 мм - 800 мм; для трубопровода ∅550-820 мм шаг К составляет 800 мм - 1200 мм; для трубопровода ∅820-1420 мм шаг К составляет 1200 мм - 2000 мм при толщине бетонного покрытия 45 мм.

При увеличении толщины бетонного покрытия на каждые 15 мм шаг К уменьшается на 10%. Это справедливо для радиуса изгиба трубы 1200 D. При меньших радиуса изгиба шаг К уменьшается на 5% с уменьшением радиуса на каждые 100D.

Толщина наносимого бетонного 3 покрытия на трубу 1 с кабель-каналами 5 зависит от эксплуатационных требований и требований СНИП и СП по эксплуатации, изготовлению и монтажу труб с бетонным покрытием. При этом она колеблется от полного покрытия кабель-каналов 5 в толщине бетонного 3 покрытия (фиг. 4), до величины требуемой эксплуатационной безопасности (фиг. 5).

В случаях, когда требуется применение арматурного каркаса 4, толщину бетонного 3 покрытия выбирают из условия полного покрытия арматурного каркаса 4 в его толщине (фиг. 4), или до величины требуемой эксплуатационной безопасности (фиг. 5).

Труба 1 может быть изготовлена, например, из металла, или полимера, или металлопластика, или композита. В свою очередь, арматурный каркас может быть выполнен в виде сетки, например, из металла, или полимера, или композита.

При монтаже трубы 1 с бетонным 3 покрытием в нем возникают внутренние напряжения и при превышении предела прочности бетонного 3 покрытия на изгиб, последнее дает трещины по искусственно созданным концентраторам напряжений в виде кольцевых канавок 6 (фиг. 10, фиг. 11), которые предотвращают непрогнозируемое скалывание и обеспечивает безопасность проведения монтажных работ. Кроме того, компенсация возникших внутренних напряжений в бетонном 3 покрытии в результате изгиба за счет образовавшихся прогнозируемых трещин предотвращает вероятность возможного смятия или разрыва кабель-каналов 5.

Когда труба 1 представляет собой прямошовную электросварную трубу, на которой закреплен арматурный каркас 4 с размещенными под ним кабель-каналами 5, то размещение кабель-каналов ориентируется относительно сварного шва.

На наружной поверхности бетонного 3 покрытия выполнены искусственно созданные концентраторы напряжений в виде кольцевых канавок 6 (фиг. 1 фиг. 2). Кольцевые канавки 6 выполнены с шагом - К, достаточным для компенсации возникающих внутренних напряжений при изгибе трубы 1 с бетонным 3 покрытием.

Искусственные концентраторы напряжений могут быть также выполнены в виде канавок 6 спирально нанесенных на поверхность бетонного 3 покрытия (фиг. 3).

При нанесении бетонного 3 покрытия на трубу 1, кабель-каналы 5 размещаются (позиционируются) над продольным сварным швом 7 трубы 1 с обеих его сторон. (фиг. 8). При этом кабель-каналы 5 размещены под арматурным каркасом 4. Арматурный каркас 4 может быть выполнен в виде сетки (не показано), например, металлической, полимерной или композитной.

Бетонное 3 покрытие трубы может быть выполнено из бетонной смеси с наномодифицирующими добавками.

При монтаже трубопровода (фиг. 1) к раннее смонтированной трубе 1 приваривается труба 8, при этом согласно ГОСТ 10706-76 п. 1.7 и (СТ СЭВ 489-77) продольные сварные швы этих труб 1 и 8 должны находится на определенном расстоянии друг от друга - А (фиг. 9). А так как при приварке труб 1 и 8 друг к другу их кабель-каналы 5 были позиционированы относительно продольного сварного шва с обоих его сторон размещены вдоль продольных швов трубы 1 и 8, то кабели 9 систем связи и мониторинга, пропускаются по ним с минимальными потерями. Так в случае использования систем связи и мониторинга двух кабелей, из трех кабель-каналов 5, то выбираются кабель-каналы 5 по следующей схеме: центральный плюс левый - центральный плюс левый - центральный плюс правый. Если имеет место использование одного кабель канала, то используется схема левый - центральный - правый кабель-каналы 5. Использование позиционирования кабель-каналов 5 относительно продольного сварного шва труб 1 и 8 позволяет значительно снизить потери кабелей 9 систем связи и мониторинга.

После приварки трубы 8, на узел стыка наносится термопластичный материал 10 (фиг. 1), который затем нагревают, в результате чего он плотно ложится на его наружную поверхность. Закрепляется обечайка 11 и в образовавшееся пространство нагнетается - пенополиуретан.

При монтаже трубы с бетонным 3 покрытием в нем возникают внутренние напряжения, обусловленные наличием изгиба (фиг. 10).

При превышении предела прочности бетонного 3 покрытия на изгиб, последнее дает трещины по искусственно созданным концентраторам напряжений в виде кольцевых канавок 6 (фиг. 11), которые предотвращают непрогнозируемое скалывание, и обеспечивают безопасность проведения монтажных работ. Канавки могут быть нанесены на наружную поверхность бетонного покрытия - спирально. Спирально канавки позволяют сократить время на нанесения канавок на поверхность бетонного покрытия.

Кроме того, компенсация возникших внутренних напряжений в бетонном покрытии в результате изгиба за счет образовавшихся прогнозируемых трещин предотвращает вероятность возможного смятия или разрыва кабель-каналов 5.

Нанесение канавок 6, как кольцевых, так и спиральных, на наружной поверхности бетонного 3 покрытия, может быть осуществлено обкаткой роликом. Данный способ может быть реализован при нанесении бетонной смеси методом торкретирования. При использовании метода нагнетания бетонной смеси формирование канавок может быть осуществлено наличием углубления 12 (накатки) на съемной обечайке 13 (фиг. 12).

С целью повышения прочности бетонного 3 покрытия оно может быть снабжено арматурным каркасом 4, и выполнено из бетонной смеси с наномодифицирующими добавками. Арматурный каркас 4 может быть выполнен в виде сетки, например, металлической, полимерной или композитной.

Для увеличения степени защищенности кабель-каналов 5 они размещены под арматурным каркасом 4 бетонного 3 покрытия.

На трубу 1 может быть закреплено два или более кабель-канала 5.

Предложенное техническое решение задачи позволяет:

- обеспечить безопасность работ в зоне монтажа трубопровода, с помощью искусственно созданных концентраторов напряжений в виде кольцевых канавок, выполненных на наружной поверхности бетонного покрытия;

- уменьшить количество непрогнозируемых сколов и потерь бетонного покрытия и тем самым сократить объем ремонтных работ;

- уменьшить затраты кабелей систем связи и мониторинга за счет, позиционирования кабель-каналов относительно продольного сварного шва проводящей трубы;

- увеличить уровень защиты кабель-каналов от внешних механических повреждений, путем из размещения под армирующим слоем, и изготовления бетонного покрытия из смеси с наномодифицированными добавками.